[논문]유한요소법을 이용한 초소성 성형/확산접합 공정해석

송재선; 김용환; 홍성석; 강영길; 이정환; 권용남

[국내논문] 유한요소법을 이용한 초소성 성형/확산접합 공정해석
Analysis of superplastic forming/diffusion bonding process using a finite element method 원문보기

송재선 (충남대학교 대학원) , 김용환 (충남대학교 기계설계공학과) , 홍성석 (국방과학연구소) , 강영길 (국방과학연구소) , 이정환 (한국기계연구원) , 권용남 (한국기계연구원)

The superplastic forming/diffusion bonding is widely accepted as an advanced technique for forming complex industrial components. But the superplastic forming process requires much forming time and generates excessive thinning thickness distribution of formed part. Superplastic in materials is only achieved in a narrow range of strain-rate with optimum value unique to each material. In this study, finite element analysis for surperplastic forming/diffusion bonding (SPF/DB) processes of three-sheet and four-sheet sandwich parts. From this study, forming analysis have offered a lot of information for developing the forming process.

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문제 정의

이에 본 연구에서는 성형시간을 단축시키고좀더 균일한 두께 분포를 얻기 위하여 유한요소법을 이용하여 초소성 성형/확산 접합 공정의 해석을 수행하고 결과를 비교? 검토하여 이를 초소성성형기술 부품 제작에 적용하기 위해 필요한 정보를 제공하고자 한다.
수행하고 결과를 비교? 검토하여 이를 초소성성형기술 부품 제작에 적용하기 위해 필요한 정보를 제공하고자 한다.

제안 방법

이러한 두 가지 형태의 공정에 대하여 T1-6A1-4V 의 재료로 해석을 수행하였으며, 재료의 구성식은 rr = 460g(Wa) [2]과같이 하였고’ 성형 공정 동안 초소성 소재의 변형률 속도를 일정하게 유지시키기 위하여 사용된 변형률 속도 값은 # 로 하였다. 금형과 소재 간의 마찰계수는 0.4로 하였고, 초기 소재의 두께는 Inun 로 하였으며, 평면 변형률 가정에 의한 선 요소와 2차원 평면 변형률 요소를 사용하였다.
Fig. 1과 같은 형상에 대하여 4장의 소재로 구성된 망 구조물의 성형 공정에 대하여 성형해석을수행하였다. Fig.
4장의 소재로 구성된 모델에서 초기에 외부의 소재는 블로성형되어 외부 구조물을 형성하고, 후에 내부 소재가 성형되면서 확산 접합되는 공정으로 Fig. 6 과 같으며, 상하대칭이므로 1/2만의 해석을 수행하였다. Fig.
(1) 공정 해석을 통하여 성형/접합에 의한 복잡한 형상의 일체화 가능성을 검토하였다.
(2) 망 구조물 형상의 해석에서는 바깥부분의소재가 신장되는 정도가 내부 소재가 신장되는것보다 빠르게 진행되어 최종 형상에서 겹침 현상이 발생하게 되는 구조물 내부의 형상 변화에 대한 예측을 하였다.
(3) 변형체 간의 접촉에서 접합부의 크기가 미치는 영향과 기공의 발생을 예측하였다.
본 연구에서는 초소성 성형/확산 접합에 대하여유한요소법을 이용한 공정해석을 통하여 압력선도와 변형거동 형상을 예측분석하여 다음 과 같은 결론을 얻을 수 있다.

이론/모형

압력을 예측하는 방법에는 크게압력제어 알고리듬을 사용하는 방법과 예측?수정을 반복적으로 계산하는 방법으로 구분할 수 있다. 이에 본 연구에서는 Cheng[4]이 제안한 유동응력과 하중의 비례 관계를 이용한 압력 제어 알고리듬과 Chandra[5]가 제안한 예측? 수정 알고리듬을 이용한 압력 제어 기법을 적용하여 해석을 수행하였다. 유동응력과 하중의 비례 관계를 이용한압력제어 알고 리듬은 최대 변형률 속도를 최적의변형률 속도에 유지시키는 방법이지만 각각의 하중 단계에서의 성형 압력은 유동응력과 하중이 비례한다는 아래의 관계로부터 계산된다.
압력을 예측하는 방법에는 크게압력제어 알고리듬을 사용하는 방법과 예측?수정을 반복적으로 계산하는 방법으로 구분할 수 있다. 이에 본 연구에서는 Cheng[4]이 제안한 유동응력과 하중의 비례 관계를 이용한 압력 제어 알고리듬과 Chandra[5]가 제안한 예측? 수정 알고리듬을 이용한 압력 제어 기법을 적용하여 해석을 수행하였다. 유동응력과 하중의 비례 관계를 이용한압력제어 알고 리듬은 최대 변형률 속도를 최적의변형률 속도에 유지시키는 방법이지만 각각의 하중 단계에서의 성형 압력은 유동응력과 하중이 비례한다는 아래의 관계로부터 계산된다.

후속연구

따라서 유한 요소법을 이용한 공정해석이 성형공정 예측에 적절히 활용할 수 있음을 알수 있으며 향후 실험을 통하여 결과를 검증할 예정이다.

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